中國著名腐蝕電化學領域的開拓者曹楚南院士曾說過，金屬材料是現代物質文明的基礎。然而看似無堅不摧的金屬，例如鋼鐵，哪怕在空氣中也會被悄悄地破壞——腐蝕。
金屬腐蝕問題遍及國民經濟的各個領域。天然氣運輸管道因管壁腐蝕引起的泄漏；混凝土中鋼筋腐蝕導致建筑物的倒塌；金屬藝術品由于腐蝕而觀賞性下降……諸如此類的破壞屢見不鮮，不僅造成資源上的巨大浪費，還會帶來人員傷亡、環境污染等一系列社會問題。不禁要問，腐蝕帶來的消極影響如此多，金屬能不腐蝕嗎？從熱力學第二定律角度來講，不穩定金屬的腐蝕是必然的。而我們所能做的是運用知識技術，與腐蝕進行時間的角力。
采用防(fang)腐(fu)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)對金(jin)屬(shu)(shu)(shu)材料進(jin)行(xing)涂(tu)(tu)覆(fu)，是目前應用最廣泛(fan)的(de)(de)金(jin)屬(shu)(shu)(shu)腐(fu)蝕(shi)防(fang)護(hu)(hu)方法之一(yi)。其具有施工(gong)簡(jian)單、適用廣泛(fan)、成(cheng)本低(di)廉，以(yi)及容易(yi)和其他防(fang)護(hu)(hu)手段結合(he)的(de)(de)優點。在日常(chang)生活中(zhong)時(shi)常(chang)可見工(gong)人(ren)辛勤地在給(gei)(gei)護(hu)(hu)欄刷(shua)(shua)漆如圖1所示，這不(bu)單單是為了美觀，涂(tu)(tu)漆更(geng)像(xiang)給(gei)(gei)金(jin)屬(shu)(shu)(shu)穿上“外(wai)衣”起到保護(hu)(hu)金(jin)屬(shu)(shu)(shu)的(de)(de)作(zuo)用。由于金(jin)屬(shu)(shu)(shu)制成(cheng)的(de)(de)護(hu)(hu)欄會受到空氣(qi)中(zhong)水和氧的(de)(de)進(jin)攻(gong)而被腐(fu)蝕(shi)，涂(tu)(tu)刷(shua)(shua)油(you)漆能(neng)夠在金(jin)屬(shu)(shu)(shu)和腐(fu)蝕(shi)介質之間形成(cheng)有效的(de)(de)物(wu)理(li)屏(ping)障，阻(zu)擋金(jin)屬(shu)(shu)(shu)與腐(fu)蝕(shi)介質的(de)(de)接(jie)觸。然而，風(feng)吹日曬等外(wai)部因素會導(dao)(dao)致(zhi)油(you)漆的(de)(de)老化脫落，一(yi)旦(dan)覆(fu)蓋在金(jin)屬(shu)(shu)(shu)表面(mian)的(de)(de)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)受損破裂(lie)便(bian)會導(dao)(dao)致(zhi)金(jin)屬(shu)(shu)(shu)基(ji)體外(wai)露(lu)，涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)的(de)(de)防(fang)護(hu)(hu)功能(neng)降(jiang)低(di)，使金(jin)屬(shu)(shu)(shu)的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)速度快(kuai)速增長。
雖然目前用于檢測和修復涂層裂紋的技術有很多，但是這些技術存在耗時長、工藝復雜的問題，并且無法修復產生于涂層內部的、難于檢測到的裂紋。因此，開發出新型智能防腐涂層來防止和減緩腐蝕，對建設節約環保型社會有重大的意義。
智(zhi)能防腐涂(tu)層(ceng)是(shi)能夠通過自(zi)(zi)身(shen)的(de)感(gan)知(zhi)而獲取外界信息(xi)，繼而改變(bian)自(zi)(zi)身(shen)的(de)一種(zhong)或多種(zhong)性能參(can)數以適應外界環境(jing)的(de)變(bian)化，從而實(shi)現(xian)自(zi)(zi)調節、自(zi)(zi)適應、自(zi)(zi)修復等(deng)類似(si)于生物擁有(you)的(de)特殊功(gong)能的(de)防腐涂(tu)層(ceng)材料。從定(ding)義上看有(you)些不(bu)(bu)可思(si)議，涂(tu)層(ceng)不(bu)(bu)過是(shi)物質(zhi)的(de)堆砌，死(si)物怎么就擁有(you)了(le)類似(si)生物的(de)“反應意識”變(bian)得智(zhi)能化了(le)呢？
1. 智能刺激型
物質能依靠溫度、光、電、酸堿性等外界刺激，觸發一系列化學、物理反應。科學家們有效利用了這些物理化學性質，研究了刺激響應型涂層。因其能夠對外界刺激產生快速有效的響應，所以在制備金屬表面防腐涂層上有重要價值。
1.1. 光刺激
日本(ben)(ben)科學(xue)家利用紫外光(guang)照(zhao)射不(bu)銹鋼表面的(de)(de)(de)Ti02涂層，可(ke)以使不(bu)銹鋼更具耐腐蝕性(xing)。這是(shi)由(you)于半導體(ti)Ti02的(de)(de)(de)光(guang)電(dian)化(hua)學(xue)特性(xing)如圖2所(suo)示，在光(guang)照(zhao)下(xia)為被(bei)保護金屬(shu)提供足(zu)夠的(de)(de)(de)電(dian)子(zi)，使其電(dian)位(wei)從(cong)腐蝕區下(xia)降(jiang)到穩(wen)定區，從(cong)而(er)實現對金屬(shu)的(de)(de)(de)電(dian)化(hua)學(xue)保護。一(yi)般將(jiang)這種方(fang)法(fa)稱為光(guang)生陰(yin)極(ji)法(fa)。與犧(xi)牲陽極(ji)的(de)(de)(de)陰(yin)極(ji)保護技術(shu)所(suo)不(bu)同，在防(fang)(fang)護過(guo)程中半導體(ti)本(ben)(ben)身(shen)并不(bu)發生溶解，理(li)論上可(ke)作為一(yi)種永久性(xing)的(de)(de)(de)防(fang)(fang)腐蝕涂層，而(er)且涂層成本(ben)(ben)較低(di)，故該方(fang)法(fa)具有潛在的(de)(de)(de)發展前景。
1.2. pH刺激
金屬的腐蝕過程通常會伴隨局部pH的變化，這一點可以制備具有響應周圍環境pH變化的防腐涂層。
例如通過在金屬表面交替沉積具有相反電荷的聚電解質形成多層聚電解質保護層，而這類聚電解質含有大量具有調節pH值的功能基團。當涂層受損腐蝕發生時，聚電解質的功能基團能自主響應腐蝕過程所造成的微陽極區或微陰極區pH值的突變，與電化學腐蝕過程中陰陽極上產生的H+或OH-發生中和反應，從而達到抑制腐蝕的目的。
一言(yan)蔽之，這兩種方法(fa)就是根據(ju)腐蝕發(fa)(fa)生的(de)(de)情況(kuang)，采取措(cuo)施消(xiao)除引發(fa)(fa)腐蝕的(de)(de)必要條件，做(zuo)到釜底抽薪，以抑制腐蝕的(de)(de)發(fa)(fa)生。
2. 智能預警型
在腐蝕防護中，傳統檢測腐蝕的方式一般為電化學儀器等設備，并且需要較高知識水平的操作人員才能分析評測，操作不便，且局限性較強。大膽試想一下，涂層材料能否實現對涂層下腐蝕的主動預警呢？
最容易想到的顏色，就如十字路口的紅綠燈一般，綠色亮起表示能夠行走，紅色亮起則禁止通行。那么是否能運用不同的顏色來實現涂層的自預警呢？
pH指示劑在不同的pH條件下具有不同的顏色變化，而當腐蝕發生時，局部環境的pH發生變化，因此選擇合適的指示劑能夠實現腐蝕發生的自主預警。但是指示劑的變色性能易受涂層自身顏色的干擾，而熒光分子因其發射的熒光不受背景顏色干擾更受研究者的青睞。在電化學腐蝕中，金屬失去電子變為金屬離子，并且隨著腐蝕的加劇，離子濃度越大，刺激引發了熒光的響應，從理論上也能被檢測金屬腐蝕情況，實現自預警。在使用過程中，若直接將熒光劑加至涂層中，易于破壞涂層的完整性，不利于防腐。那么，有辦法解決這個問題嗎?
科學家們(men)利用(yong)(yong)(yong)微膠(jiao)囊(nang)封裝的(de)方式避免了這個問題。將熒(ying)(ying)光分(fen)(fen)子(zi)包裹(guo)在(zai)微膠(jiao)囊(nang)容器中(zhong)，當受損(sun)涂(tu)層中(zhong)微膠(jiao)囊(nang)破裂(lie)時，釋放(fang)的(de)熒(ying)(ying)光分(fen)(fen)子(zi)與(yu)外界(jie)物(wu)質(zhi)發(fa)生(sheng)反應(ying)發(fa)出熒(ying)(ying)光，實現(xian)了對(dui)涂(tu)層材(cai)(cai)料破損(sun)處的(de)自預(yu)警(jing)。此外，有些物(wu)質(zhi)分(fen)(fen)子(zi)內化學或(huo)物(wu)理的(de)結構(gou)轉變可實現(xian)變色(se)，這些物(wu)質(zhi)亦可蘊藏在(zai)微膠(jiao)囊(nang)中(zhong)起到(dao)預(yu)警(jing)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)。對(dui)于小尺(chi)寸的(de)材(cai)(cai)料腐(fu)蝕損(sun)傷，通過微膠(jiao)囊(nang)或(huo)微脈管型(xing)的(de)智能預(yu)警(jing)有良好的(de)作(zuo)用(yong)(yong)(yong)。但(dan)對(dui)于大(da)(da)尺(chi)寸的(de)構(gou)件如建筑物(wu)、工廠大(da)(da)型(xing)設(she)備等(deng)，一些材(cai)(cai)料損(sun)傷很容易被忽略，并且會在(zai)使用(yong)(yong)(yong)中(zhong)逐漸積(ji)累，最終導致泄露、報廢等(deng)重大(da)(da)損(sun)耗(hao)。因此，對(dui)大(da)(da)尺(chi)寸構(gou)件的(de)靈敏預(yu)警(jing)也尤為重要。
3. 智能修復型
傳(chuan)統的(de)涂層(ceng)會因(yin)為固有(you)的(de)空隙或者外界(jie)損傷而無法修復(fu)，造成保護功(gong)能(neng)(neng)受(shou)損。但(dan)是(shi)一般(ban)情況下，當(dang)人體皮膚受(shou)傷時，除(chu)了疼痛感和滲出的(de)血(xue)液會警示(shi)我們受(shou)損的(de)嚴重性，身體還會自(zi)(zi)主地(di)止(zhi)血(xue)、緩(huan)慢修復(fu)直至(zhi)愈(yu)合(he)。那么，我們是(shi)否能(neng)(neng)模仿人體的(de)生物(wu)功(gong)能(neng)(neng)賦予防(fang)腐(fu)涂層(ceng)自(zi)(zi)愈(yu)合(he)的(de)能(neng)(neng)力呢？
近年來，關(guan)于(yu)智能自(zi)愈合涂層(ceng)的研究(jiu)逐漸興起。
3.1. 微膠(jiao)囊、微脈管自修(xiu)復
正如之前(qian)提(ti)到的微(wei)膠囊容(rong)器(qi)在預警(jing)時可裝(zhuang)載熒光劑，需要自修復作用時亦(yi)可裝(zhuang)載緩蝕劑或者修復劑。
典(dian)型的(de)(de)(de)微膠囊(nang)自修(xiu)(xiu)(xiu)復(fu)設(she)計如(ru)圖3所示(shi)，微膠囊(nang)作為容器(qi)包裹著修(xiu)(xiu)(xiu)復(fu)劑(ji)或(huo)者(zhe)緩蝕(shi)劑(ji)埋伏到含催化(hua)(hua)劑(ji)的(de)(de)(de)復(fu)合材料中(zhong)，當涂層(ceng)損傷時(shi)，裂(lie)紋造成微膠囊(nang)破裂(lie)釋(shi)(shi)放出(chu)緩蝕(shi)劑(ji)，緩蝕(shi)劑(ji)吸附到裸露的(de)(de)(de)金屬上起到緩蝕(shi)作用。或(huo)者(zhe)膠囊(nang)破裂(lie)時(shi)釋(shi)(shi)放出(chu)修(xiu)(xiu)(xiu)復(fu)劑(ji)，修(xiu)(xiu)(xiu)復(fu)劑(ji)與催化(hua)(hua)劑(ji)接觸發生(sheng)化(hua)(hua)學反應修(xiu)(xiu)(xiu)復(fu)裂(lie)紋。鑒于膠囊(nang)在智能自修(xiu)(xiu)(xiu)復(fu)涂層(ceng)中(zhong)的(de)(de)(de)重要性，選取(qu)微膠囊(nang)時(shi)其必須具備化(hua)(hua)學穩定性，與涂層(ceng)良好的(de)(de)(de)相容性，足夠(gou)(gou)的(de)(de)(de)負載力，并且良好的(de)(de)(de)密封性（不(bu)能使包裹的(de)(de)(de)試劑(ji)隨意滲(shen)透，但又(you)能夠(gou)(gou)按需釋(shi)(shi)放）。
類似地，微脈管自修復模仿人體的血管脈絡將灌輸緩蝕劑或修復劑的微脈管路埋伏于基體材料中，當管路破損時暴露出緩蝕劑或者修復劑，達到緩蝕或自修復的目的。然而，這類自愈性防腐涂層卻無法多次修復，并且受損傷位置的局限與包覆緩蝕劑或修復劑的劑量，大大降低了自愈性的效率。那么是否能開發出不依賴于外界刺激并且多次高效自修復的智能自愈防腐涂層呢？
3.2. 本征自修復(fu)
本征自修復是涂層不需要外援添加物（如微膠囊）本身以完全自主的方式進行自修復，并且恢復材料破損處原有的物化特性與功能。就比如一碗水在我們拿刀在水面劃一下后，水面依舊是完好無損的水面。
這一類防腐涂料的修復機理主要是借助可逆化學反應，材料損傷或失效后被破壞的化學結構能夠重新反應，結構重組成和之前一樣，從而實現多次修復。因此，不需要外加修復劑的本征型自修復更受研究者青睞。
本征自修復涂層主要通過兩類途徑動態可逆非共價鍵和可逆共價鍵實現自修復。所謂動態可逆非共價自修復體系是指實現自修復反應的鍵為動態可逆非共價鍵，比如氫鍵修復體系、離子鍵體系、金屬-配體體系等。類似地，動態可逆共價鍵反應，如Diels-Alder 反應（如圖4所示）、動態二硫鍵交換、可逆亞胺等，是動態可逆共價鍵本征自修復的關鍵。
簡單來說，這(zhe)些看似復雜(za)的鍵像(xiang)是(shi)連接(jie)物質(zhi)結構的紐(niu)帶(dai)，在反應條件下能夠反復地(di)解開、連接(jie)、解開、連接(jie)……而不改變原本(ben)的性(xing)質(zhi)，達到多(duo)次自修復的效果。
然(ran)而(er)，并(bing)不(bu)是(shi)(shi)所(suo)有可(ke)逆(ni)的(de)反應(ying)在實(shi)際(ji)運用中(zhong)都合適(shi)。例如Diels-Alder反應(ying)是(shi)(shi)指含有類似(si)于圖(tu)4中(zhong)前兩種的(de)化學物(wu)質發生(sheng)加成反應(ying)。在一定溫度(du)下，發生(sheng)D-A逆(ni)反應(ying)生(sheng)成的(de)單體，在正(zheng)向D-A反應(ying)溫度(du)下又(you)重新生(sheng)成環狀物(wu)，從而(er)實(shi)現材料(liao)的(de)自(zi)修(xiu)復(fu)(fu)。雖不(bu)需(xu)(xu)要額外(wai)催化劑(ji)或者修(xiu)復(fu)(fu)劑(ji)，但是(shi)(shi)需(xu)(xu)要施加溫度(du)條(tiao)件(jian)。相比之下，連接兩個S原(yuan)子(zi)而(er)形成的(de)二(er)硫(liu)鍵(jian)“紐帶”不(bu)需(xu)(xu)要外(wai)界刺激且常溫下即可(ke)實(shi)現材料(liao)的(de)自(zi)修(xiu)復(fu)(fu)。圖(tu)5為(wei)二(er)硫(liu)鍵(jian)的(de)自(zi)修(xiu)復(fu)(fu)機(ji)理，因(yin)為(wei)二(er)硫(liu)鍵(jian)這種“紐帶”不(bu)牢固，所(suo)以(yi)S原(yuan)子(zi)與(yu)S原(yuan)子(zi)的(de)連接容易發生(sheng)斷(duan)(duan)裂(lie)，但是(shi)(shi)，斷(duan)(duan)裂(lie)后的(de)S-S鍵(jian)與(yu)別的(de)斷(duan)(duan)裂(lie)的(de)S-S鍵(jian)又(you)能重新連接起來形成新的(de)S-S共價(jia)鍵(jian)“紐帶”，因(yin)此稱(cheng)為(wei)動態(tai)二(er)硫(liu)鍵(jian)。若(ruo)僅考(kao)慮(lv)能源消耗與(yu)修(xiu)復(fu)(fu)條(tiao)件(jian)，動態(tai)二(er)硫(liu)鍵(jian)反應(ying)要優于D-A反應(ying)自(zi)修(xiu)復(fu)(fu)。所(suo)以(yi)，根(gen)據(ju)實(shi)際(ji)需(xu)(xu)求(qiu)合理設計(ji)本征自(zi)修(xiu)復(fu)(fu)防腐涂(tu)層(ceng)尤(you)為(wei)重要。
4. 總結展望
大多數涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)的(de)能(neng)力(li)僅限于物理屏蔽性(xing)能(neng)，但由于難(nan)以避(bi)免的(de)孔隙，涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)老(lao)化(hua)(hua)，或者(zhe)機(ji)械強度粘附性(xing)能(neng)等問(wen)題，腐(fu)蝕介(jie)質仍然(ran)會滲入涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)。所以更(geng)(geng)加需要(yao)智(zhi)能(neng)防腐(fu)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)的(de)多元化(hua)(hua)：更(geng)(geng)加靈敏的(de)智(zhi)能(neng)響應(ying)，更(geng)(geng)加清晰明(ming)了、高(gao)效及時(shi)的(de)智(zhi)能(neng)預警，更(geng)(geng)加多重功能(neng)化(hua)(hua)的(de)智(zhi)能(neng)修(xiu)復(fu)。只有結合涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)的(de)多重智(zhi)能(neng)機(ji)制(zhi)，通(tong)過多方面互補提升(sheng)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)的(de)高(gao)效防護能(neng)力(li)，并(bing)簡化(hua)(hua)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)的(de)制(zhi)備工藝，才能(neng)更(geng)(geng)好地應(ying)用于生產實踐。
防(fang)腐涂(tu)層的(de)(de)(de)(de)“智(zhi)能(neng)(neng)化”并(bing)不像生物的(de)(de)(de)(de)天賦與(yu)生俱來，而是研究(jiu)者們利(li)用物質的(de)(de)(de)(de)物理化學特性，結合各(ge)種(zhong)奇思妙想(xiang)，辛勤鉆(zhan)研開(kai)出的(de)(de)(de)(de)智(zhi)慧之花。希望在不遠(yuan)的(de)(de)(de)(de)將來，所有付出的(de)(de)(de)(de)刻苦努力都(dou)能(neng)(neng)變(bian)成(cheng)為個人謀發展的(de)(de)(de)(de)收(shou)獲，所有收(shou)獲的(de)(de)(de)(de)靈(ling)感都(dou)能(neng)(neng)變(bian)成(cheng)為社(she)會謀福利(li)的(de)(de)(de)(de)奇思妙想(xiang)，所有看似(si)不可能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)奇思妙想(xiang)都(dou)能(neng)(neng)變(bian)成(cheng)為人類謀福祉的(de)(de)(de)(de)現實。
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